Marées et climat

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A chaque animation grand public, que ce soit dans le cadre de l’astronomie ou de la botanique, le thème de l’influence de la Lune revient sur le tapis. Qu’en est-il réellement ? C’est une lecture qui m’a donné envie d’approfondir le sujet et de procéder à une véritable enquête pour savoir si cette influence est avérée, de quelle façon et dans quelle mesure…

Gros temps à Biarritz (3 novembre 2019)

La mer autour de nous

La mer autour de nous, Rachel Carson
Rachel Carson sur le quai du marché aux poissons Sam Cahoon à Woods Hole (USA) en 1951, juste après la publication de son bestseller, The Sea Around Us.

Il est étrange de penser que la vie a surgi de la mer, et que la mer est désormais menacée par l’une des formes de cette vie. Mais la mer, même si elle est entraînée dans une évolution désastreuse, continuera à exister; la menace porte plutôt sur la vie elle-même.” Rachel Carson, 1960, à propos du dépôt de déchets radioactifs dans la mer.

J’avais entendu parler de Rachel Carson (1907-1964) pour son cri d’alarme Silent Spring (Printemps silencieux), un livre paru en 1962 qui contribua à lancer le mouvement écologiste dans le monde occidental en dénonçant l’empoisonnement des Grands Lacs américains par les pesticides. Mais j’ai récemment découvert un autre livre de cette biologiste qui m’a enthousiasmée, The sea around us (La mer autour de nous), paru dix ans auparavant. Dans un style très imagé, elle porte à la connaissance du public la synthèse des connaissances de l’époque sur les océans. Même si la science a beaucoup évolué en soixante-dix ans, elle s’est toutefois fractionnée en de multiples spécialités très pointues et il peut être difficile d’avoir une vision aussi globale sur un thème général comme celui des océans et sous une forme aussi plaisante à lire. Elle consacre tout un chapitre à un grand précurseur de l’étude océanique, le Suédois Otto Pettersson (1848-1941), qui attribue aux marées la cause de changements climatiques qui ont eu pour conséquence la modification des zones d’hivernage des harengs. Ses assertions m’ont étonnée, je n’avais jamais pensé que les marées en tant que telles puissent avoir un pareil pouvoir. J’ai donc entrepris de reprendre le problème à la base et d’avancer pas à pas en cherchant des informations pour élucider ce mystère. Une fois défini ce qu’est le climat, mon premier travail a été de déterminer les paramètres astronomiques terrestres qui résultent d’une influence lunaire, ce qui était déjà un vaste programme. J’ai pu ensuite reprendre dans un deuxième temps les dires d’Otto Pettersson rapportés par Rachel Carson pour vérifier si, sur le plan océanographique, je trouvais une confirmation des conclusions qu’il avait tirées de ses recherches.

Le climat, rôle des océans

La Terre vue depuis Apollo 17 (1972)

Le climat, c’est l’ensemble des éléments qui caractérisent l’état moyen de l’atmosphère dans une région déterminée : la température et l’humidité de l’air dans les couches voisines du sol, les précipitations, l’insolation, le vent, la pression atmosphérique et, accessoirement, le champ électrique de l’atmosphère, l’ionisation de l’air, sa composition chimique. Notre planète étant sphérique, le rayonnement solaire qui nous éclaire, nous chauffe et nous communique son énergie, présente son maximum d’intensité entre les Tropiques et son impact s’atténue en allant vers les pôles. La régulation du climat terrestre est assurée à part égale par les mouvements atmosphériques et océaniques. En ce qui concerne l’océan, celui-ci transporte des eaux chaudes des Tropiques vers les hautes latitudes et des eaux froides des hautes latitudes vers les Tropiques. Il constitue également un réservoir de chaleur immense (mille fois plus important que l’atmosphère), ce qui lui donne un rôle de modérateur des variations climatiques. L’océan intervient ainsi dans la plupart des phénomènes climatiques récurrents, par exemple l’Oscillation Nord-Atlantique mesurée par la différence de pression atmosphérique entre l’anticyclone des Açores et la dépression d’Islande. Couplé avec l’atmosphère, il participe également à un signal climatique majeur, El Niño (ou Oscillation Australe) dans le Pacifique tropical. Mais c’est surtout dans les variations climatiques de longue période que son influence est primordiale, par exemple en réponse au réchauffement global dû à l’augmentation de la concentration atmosphérique en gaz carbonique.

1ère partie : l’influence astronomique de la Lune

La gravitation universelle

Système solaire entouré de la ceinture de Kuiper et du nuage d’Oort

La gravitation, bien que la plus faible des quatre “forces” que nous connaissions (électromagnétique, nucléaire forte, nucléaire faible, gravitationnelle), se fait sentir dans l’Univers entier dont elle assure la cohésion et l’orchestration de tous les mouvements des éléments qu’il contient. Ainsi, au sein de la Voie lactée, notre Soleil effectue une révolution en 225 millions d’années (terrestres) autour du trou noir qui occupe le centre galactique ; il a donc accompli vingt révolutions depuis qu’il s’est formé il y a 4,56 milliards d’années. Dans ce ballet, les planètes du système solaire tournent autour de leur étoile et les satellites naturels (comme la Lune) tournent autour des planètes.

Formation de la Lune par collision de la jeune Terre avec Théia

Revenons à l’époque lointaine de la formation du système solaire. Selon les dernières théories, après l’explosion d’une supernova, l’onde de choc a ébranlé une immense nébuleuse de gaz et de poussière de l’espace intersidéral. La gravitation, s’exerçant entre ces éléments, les a rapprochés les uns des autres, des tourbillons se sont formés, aspirant peu à peu la matière en un disque de plus en plus dense. Par effondrement gravitationnel, le futur Soleil a atteint une température et une pression suffisantes en son centre pour que le processus de fusion nucléaire s’enclenche, tandis que les planètes en s’accrétant vidaient de sa substance la majeure partie du disque résiduel qui l’entourait.

La Lune pose de gros problèmes aux astronomes. Sa masse, 1/81 de celle de la Terre, est très importante pour un satellite d’une planète. Seuls Jupiter, Saturne et Neptune possèdent des satellites de masse comparable, alors que ces trois planètes géantes gazeuses du système solaire sont respectivement 318, 95 et 17 fois plus massives que la Terre. Comment s’est-elle formée ? Plusieurs scénarios ont été avancés pour l’expliquer : scission, accrétion, capture douce ou brutale. C’est cette dernière qui réunit actuellement le plus de suffrages. Ainsi, alors que la Proto-Terre était encore très jeune (50 à 100 millions d’années) – et plus massive qu’aujourd’hui -, un planétoïde de la taille de Mars (nommé Théia) l’a sans doute percutée. Avec le choc, le projectile et un fragment de la Terre ont été surchauffés par la collision, fondus en magma et éjectés, créant autour de la Terre un nuage de matière qui s’est d’abord ordonné en anneaux. La gravitation s’est exercée entre ces éléments qui ont fini par s’agglomérer pour former la Lune. La Terre, encore souple, a pansé ses plaies et retrouvé une forme sphérique tout en refroidissant peu à peu et en ralentissant sa rotation sur elle-même. Dans le même temps, la Lune s’est progressivement éloignée en ralentissant également sa rotation. Comment cela se fait-il ?

La loi de la gravitation universelle

Newton, la gravitation universelle est une force
La célèbre pomme de Newton

En 1687, Isaac Newton (1642-1727) a découvert la loi qui régit les mouvements entre deux corps massifs. Il l’a exprimée ainsi:

  • F(g) = Gmm’/d²
  • F(g) étant l’intensité de la force gravitationnelle entre deux objets
  • m, m’, la masse de chacun des objets (en kilogrammes)
  • d, la distance qui les sépare (en mètres)
  • G, la constante gravitationnelle universelle :

Par exemple, l’intensité de la force gravitationnelle exprimée en Newton (N) entre le Soleil et la Terre est de :

35 000 milliards de milliards de Newton

Celle entre la Terre et la Lune est de :

200 milliards de milliards de Newton

Et celle entre la Terre et un humain de 50 kg est de :

En comparant les forces d’attraction calculées ci-dessus, on remarque que la force gravitationnelle exercée par le Soleil est environ 178 fois plus importante que celle exercée par la Lune, et que la Terre exerce une force d’attraction très faible sur les objets à sa surface. Néanmoins, une chute du troisième étage peut s’avérer fatale, tout randonneur en montagne éprouve bien de la difficulté à affronter les dénivelés et toute plante sait parfaitement orienter ses racines vers le sol et les parties aériennes à l’opposé. La gravitation terrestre est donc bien sensible chez les êtres vivants.

Les astres jouent-ils à soka tira, le jeu basque de tir à la corde ?
La déformation de l’espace-temps imaginée par Einstein
La lumière en provenance de l’étoile est déviée par la masse du Soleil (1919, confirmation de la théorie de la relativité générale d’Einstein).

Une petite remarque en passant: Si Newton a imaginé cette “force” de la gravitation, en considérant que les astres s’attirent mutuellement comme s’ils jouaient à soka tira (le jeu basque de tir à la corde), Einstein, lui, a préféré l’image d’une déformation de l’espace-temps par les corps massifs, couramment représentée par la figure d’un filet distendu, les astres (et la lumière) parcourant les géodésiques de ce monde “gondolé”. La plupart des problèmes qui se posent en astronomie peuvent se résoudre en utilisant les formules mathématiques de Newton. C’est seulement dans des cas particuliers qu’il faut se plonger dans les mathématiques difficiles de la relativité générale d’Einstein. Tout cela pour dire que dans le domaine des marées, l’approximation newtonienne est suffisante. Toutefois, cela ne veut pas dire que le monde est comme ci ou comme ça. Ce sont simplement des représentations pratiques du réel qui nous permettent de raisonner et de modéliser les phénomènes. Quant à savoir en quoi consiste réellement l’univers dans lequel nous vivons et dont nous faisons intimement partie, nos savants y travaillent, mais ils ont encore du pain sur la planche…

Germination d’un gland : il est sensible à l’attraction terrestre, il s’oriente racine vers le sol et tige à l’opposé vers le ciel

L’effet de marée

Galaxies dites des “Antennes“, deux galaxies spirales entrées en collision dans la constellation du Corbeau
L’association Astronomie côte basque

Qu’en est-il de la marée ?  En 2009, Année mondiale de l’astronomie, la Société d’astronomie populaire de la côte basque dont je suis membre avait invité Françoise Combes, une astrophysicienne et professeure au Collège de France occupant la chaire “Galaxies et cosmologie”. Sa conférence passionnante m’avait inspiré une réflexion que je lui ai soumise pour avoir son accord avant la publication sur le Net. Si j’y repense, c’est parce qu’elle avait longuement évoqué les effets de marée qui se produisent entre les galaxies. D’autres effets de marée sont observés entre les planètes du système solaire et leurs satellites, comme par exemple Jupiter à l’égard de Io, soumise à de telles tensions qu’un volcanisme exceptionnel remodèle en permanence sa surface, si bien qu’on lui a attribué le surnom de “pizza” en raison de son aspect rutilant.

C’est un écrivain qui m’a aidée à comprendre le phénomène qui s’applique au système Terre-Lune. Isaac Asimov (1920-1992), auteur prolifique de livres de science fiction et de divulgation scientifique, l’explique très simplement. L’intensité de l’attraction gravitationnelle entre deux objets de masse donnée dépend de la distance entre leur centre, mais comme ils ne sont pas réduits à un point, il existe entre les deux extrémités d’un objet une différence de traction gravitationnelle qui est appelée “effet de marée”. Sur Terre, l’intensité de l’attraction terrestre diffère par exemple entre la tête et les pieds d’une personne debout, mais cet écart est tellement infime que l’effet de marée ne peut être mesuré.

L’intensité de l’attraction gravitationnelle diffère selon le lieu où elle s’exerce (chiffres fictifs pour illustrer le phénomène).
Io, une lune de Jupiter au volcanisme très actif

Il en va différemment avec la Lune, plus éloignée mais bien plus volumineuse puisque son diamètre est de 3475 km. Son centre étant situé à une distance moyenne de 384 399 km du centre de la Terre, la partie de la surface de la Lune faisant directement face à la Terre sera à 382 662 km (d1 = distance moyenne – diamètre/2) du centre de la Terre, et la partie aux antipodes (sur la face cachée) sera à 386 136 km (d2 = distance moyenne + diamètre/2) du centre de la Terre. La traction gravitationnelle qui s’exerce sur le côté de la Lune le plus proche sera alors de 1,018 fois celle exercée sur le côté le plus éloigné. – Le rapport entre les deux intensités est égal à l’inverse du rapport des deux distances élevées au carré -. La conséquence en est un léger renflement de part et d’autre de la Lune, dans la direction du centre de la Terre, et donc un diamètre légèrement plus long que le diamètre qui lui est perpendiculaire.

F(g1) = Gmm’/d1² et F(g2) = Gmm’/d2² donc F(g1)/F(g2)= (Gmm’/d1²)/(Gmm’/d2²) = d2²/d1² = 386 136²/382 662² = 1,018

Pleine Lune
Lever de Terre depuis la Lune
Effet de marée

Cela est valable pour l’autre objet. La Lune “tire” sur la Terre et sa traction est plus forte sur la face de la Terre la plus proche de la Lune que sur l’autre face plus éloignée. Si l’effet gravitationnel était le seul important, l’effet de marée de la Lune sur la Terre serait 1/81ème de l’effet de marée de la Terre sur la Lune (puisque la Lune est 81 fois moins massive que la Terre). Le plus long diamètre de la Terre (12 756 km, soit près de 4 fois celui de la Lune) compense légèrement ce facteur, et par conséquent, l’effet de marée de la Lune sur la Terre est 1/70ème de l’effet de marée de la Terre sur la Lune. Ainsi, la Terre est étirée constamment en direction de la Lune de façon perceptible. La solide boule de la Terre s’étire d’environ un tiers de mètre. L’eau de l’océan cède plus facilement et se soulève à juste un peu plus d’un mètre. Il y a donc un renflement de l’océan (et à un moindre degré de l’écorce solide) sur le côté faisant face à la Lune. 

Effet centrifuge: la voiture tend à être déportée dans le virage.

Contrairement à ce qui est dit habituellement, la Lune ne tourne pas autour de la Terre: c’est le couple Terre-Lune qui, en un mois sidéral lunaire (27 jours), est en rotation autour d’un axe passant par un centre commun. L’emplacement de ce barycentre est fonction de la distance qui sépare les deux corps et de leur masse respective. Il se situe à l’intérieur de la Terre, à environ 4650 km du centre, il est donc enfoui à 1700 km sous la surface. Cette rotation des deux corps engendre un phénomène que l’on connaît bien, pour l’avoir expérimenté dans les manèges ou en voiture: une tendance pour chaque corps à s’éloigner du centre, que l’on appelle l’effet centrifuge. Cette force apparente, dite “fictive” car elle n’a pas d’origine physique, a une direction opposée à la force d’attraction et son intensité est exactement la même. C’est ce qui explique que la Terre “enfle” des deux côtés, à cause de l’effet de marée d’une part, et de l’effet centrifuge d’autre part.

Ce faisant, la Terre tourne sur elle-même et les surfaces alternativement se soulèvent et s’effondrent en pénétrant ou en ressortant de ces zones d’influence. Les océans par voie de conséquence montent et descendent le long des côtes deux fois par jour (l’ampleur et la fréquence des marées sont toutefois fortement influencées par la forme des côtes et des fonds marins, entre autres facteurs). Ce double mouvement quotidien des océans est appelé marée, et c’est pourquoi le phénomène généralisé a été appelé l’effet de marée.

Un jour qui s’allonge, une Lune qui s’éloigne

Réponse retardée de la Terre à l’attraction lunaire
Couple: résultante de forces tendant à faire tourner un système physique.

Les effets de marée d’objets tels que la Terre et la Lune ne sont pas réellement très considérables comparés à la force gravitationnelle totale, mais ils s’accumulent avec le temps. Si la période de rotation de la Terre sur elle-même était égale à la période de révolution de la Lune autour de la Terre, le renflement pointerait toujours vers la Lune. Mais comme la Terre tourne plus rapidement sur elle-même (en un jour) que la Lune autour du barycentre Terre-Lune (en 27 jours), les marées se déplacent à la surface de la Terre au cours de la journée. A cause de frictions, il y a un délai dans la réponse de la Terre, qui a pour effet de décaler le renflement dû aux marées d’un petit angle delta par rapport à l’axe Terre-Lune. La Lune exerce un couple sur ce renflement qui tend à ralentir la rotation terrestre, et donc allonger la durée du jour. A l’inverse, le couple que le renflement terrestre exerce sur la Lune tend à accélérer son mouvement orbital, ce qui a pour effet d’éloigner la Lune de la Terre.

La durée du jour s’allonge de 1,8 seconde tous les 100 000 ans. Dans 200 millions d’années, la journée sera de 25 heures. La Lune s’éloigne à raison de 3,8 cm par an. Très graduellement, le ralentissement de la rotation de la Terre devrait finir par la rendre synchrone avec la révolution de la Lune: la Lune apparaîtrait ainsi fixe dans le ciel pour une moitié des habitants de la Terre. – A ceci près que les calculs montrent qu’il faudra des milliards d’années pour en arriver là et que le Soleil se sera transformé en géante rouge et l’aura engloutie bien avant -. Le phénomène de rotation synchrone est cependant très courant dans l’Univers. La Lune est déjà en rotation synchrone avec nous puisqu’elle nous montre toujours la même face. Le phénomène de synchronisation a simplement été beaucoup plus rapide pour elle du fait de sa masse relativement plus faible.

David et Goliath: le mouvement imprimé à la fronde projette la pierre (= éloignement Lune)
Face cachée de la Lune en rotation synchrone (depuis la sonde spatiale Lunar Reconnaissance Orbiter, Nasa)
Ammonites (Dactylioceras sp.) et Bélemnite, fossiles dans le calcaire noir du Jura souabe.

Reconstitution d’un paléoclimat

Dépôts sédimentaires rythmés par la marée (Néoprotérozoïque tardif, 620 Ma)
Reconstitution d’un estuaire remontant à 620 Ma

Ce ralentissement de la rotation terrestre n’est pas constant, et l’on peut en retrouver une trace dans différents indicateurs qui varient suivant les cycles des marées océaniques, telle la croissance des coraux et de certains coquillages fossiles. Le géologue australien George E. Williams a analysé quant à lui des dépôts sédimentaires remontant au Précambrien, le Néoprotérozoïque tardif (il y a 620 millions d’années) -, à l’époque de la glaciation sud-australienne Elatina-Reynella -. Ces dépôts ont été successivement apportés au rythme des marées dans un estuaire abrité, leur cycle annuel permettant de retrouver l’échelle de temps en supposant, ce qui semble raisonnable, que la durée de l’année n’a pas sensiblement varié depuis lors. Il a ainsi calculé qu’à l’époque, il y avait 13 mois synodiques (lunaisons) pour 400 jours solaires par an. Donc, le jour durait 22 heures et la Lune était à une distance de 370 946 km au lieu de la distance actuelle (384 400 km). Elle s’est éloignée à une vitesse annuelle moyenne de 2,17 cm depuis cette date – alors qu’elle s’éloigne actuellement à la vitesse mesurée par laser de 3,82 cm.

Précipitation du fer après l’apparition des premiers organismes photosynthétiques (rejet de O2)

De nombreuses équipes de recherche étudient ces dépôts dont les données paléomagnétiques indiquent qu’ils étaient situés à moins de 10° du paléoéquateur. Ce qui les intrigue, c’est qu’ils révèlent la présence de glaces océaniques, de glace sur le sol et de pergélisol près du niveau de la mer. Il régnait alors un climat périglaciaire fortement saisonnier avec une mer ouverte généralisée, un cadre paléoclimatique et paléogéographique paradoxal pour la glaciation Elatina. C’est la preuve d’un climat glaciaire cryogénique tardif en Australie méridionale. Par ailleurs, l’étude du dépôt cyclique de fer rubané en Australie occidentale, qui remonte au Paléoprotérozoïque (2 450 Millions d’années) montre qu’il y avait alors 14,5 mois synodiques (lunaisons) par an pour une distance Terre-Lune de 348 266 km. La Lune se serait donc éloignée à la vitesse de 1,24 cm par an durant la majeure partie du Protérozoïque (2450-620 Ma). Ces données montrent qu’il y avait un faible taux global de friction de marée et une stabilité à long terme de l’orbite de la Lune.

Fer rubané (Australie)

Influence du Soleil

Effet de marée à la surface du Soleil

Coucher de Soleil en Gaspésie (Québec, Canada)

Qu’en est-il du Soleil ? Il est 333 500 fois plus massif que la Terre, il a donc un champ gravitationnel 333 500 fois plus intense. Son diamètre beaucoup plus grand implique que sa surface est beaucoup plus loin de son centre que ne l’est la surface de la Terre du sien ; or, puisque l’intensité de la traction gravitationnelle varie inversement en fonction du carré de la distance, la gravité à la surface du Soleil n’est que 28 fois la gravité à la surface de la Terre. L’effet de marée toutefois varie à l’inverse du cube de la distance. Puisque le diamètre du Soleil est 109 fois celui de la Terre, nous devons diviser 333 500 (l’intensité du champ gravitationnel du Soleil comparée à celui de la Terre) par (109 x 109 x 109 = 1 300 000), ce qui donne 0,256. Il s’en suit que l’effet de marée du Soleil sur les objets à la surface solaire n’est que le quart de l’effet de marée de la Terre sur les objets à la surface terrestre.

Effet de marée entre le Soleil et la Terre

La force gravitationnelle exercée par le Soleil est environ 180 fois plus forte que celle exercée par la Lune, mais l’effet de marée est moindre, le diamètre de la Terre étant très faible, comparativement à la distance Terre-Soleil. Voici ce que cela donne en reprenant les formules ci-dessus avec d1, distance du Soleil à la surface terrestre la plus proche, et d2, distance du Soleil au point terrestre opposé, côté nuit.

F(g1) = Gmm’/d1² et F(g2) = Gmm’/d2², donc F(g1)/F(g2)= (Gmm’/d1²)/(Gmm’/d2²) = d2²/d1², soit 1,00017

Ce chiffre de 1,00017 paraît très faible, mais l’énorme masse de notre étoile lui permet néanmoins de créer une force de marée d’environ la moitié de celle de la Lune. L’amplitude réelle de la marée à un moment donné est donc liée à la combinaison des forces de marée dues à la Lune et au Soleil. Comme ces deux contributions ne sont pas synchronisées, l’amplitude dépend de la position relative de la Lune et du Soleil. Lors de la Pleine Lune ou de la Nouvelle Lune, les maximums s’additionnent et l’on obtient une marée forte appelée de vive eau. Lors du premier et du dernier quartier lunaire, la Terre subit les influences contradictoires du Soleil et de la Lune (qui tirent “à hue et à dia”comme un mauvais attelage d’une calèche), ce qui donne une marée de moins forte amplitude appelée de morte eau.

Biarritz, 28 septembre 2015, époque des grandes marées d’équinoxe

Des glaciations du Quaternaire cycliques

Une nature chaotique

Dernier Maximum Glaciaire (Thomas J. Crowley)
Urbain Le Verrier reçu par le roi Louis-Philippe au palais des Tuileries à l’occasion de sa découverte de la planète Neptune.

Pour Johannes Kepler (1571-1630), la Terre décrivait une ellipse immuable. Isaac Newton (1642-1727) a bouleversé cette vision statique en montrant que la masse des planètes du Système solaire perturbe l’orbite de la Terre, qui n’est donc une ellipse qu’en première approximation. Mais la force exercée par le Soleil sur les planètes étant largement prédominante, les interactions gravitationnelles entre les planètes ne sont que des perturbations. Toutefois, alors que pendant ces trois derniers siècles les astronomes et les mathématiciens se sont évertués à démontrer la stabilité du Système solaire, les expériences virtuelles par simulation informatique de ces dernières décennies ont montré que le mouvement des planètes du Système solaire est chaotique. Cela signifie qu’aucune prédiction précise de leur mouvement ne peut aller au-delà de quelques dizaines de millions d’années. Des simulations récentes montrent même que les collisions planétaires ou les éjections sont possibles dans un laps de temps inférieur à 5 milliards d’années, soit avant la fin de la vie du Soleil.

Cycle des glaciations du Quaternaire

Les cycles de Milankovitch

Milutin Milankovitch
La fontaine de Davioud, place de l’Observatoire à Paris

Célèbre pour avoir découvert en 1846 la planète Neptune par le calcul des perturbations d’Uranus, Urbain Le Verrier a, le premier, calculé les variations à très long terme, appelées variations séculaires, de l’excentricité de la Terre. Il poursuivait en cela les travaux de Laplace effectués un peu avant la Révolution française. C’est en utilisant les solutions de Le Verrier pour le mouvement orbital de la Terre que le mathématicien serbe Milutin Milankovitch émit, en 1941, l’hypothèse que les grandes glaciations du Quaternaire résultent des variations de l’insolation aux hautes latitudes induites par les variations séculaires de l’orbite et de l’orientation de la Terre (principalement la précession des équinoxes, ainsi que les variations de l’excentricité et de l’obliquité). Lorsque l’insolation reçue pendant l’été sous les hautes latitudes de l’hémisphère Nord diminue, la neige tombée en hiver ne fond plus complètement pendant l’été et commence à s’accumuler. Or la neige réfléchit fortement le rayonnement solaire, ce qui tend à accentuer le refroidissement et permet d’enclencher une glaciation. Toutefois, l’influence des cycles de Milankovitch sur le climat est encore mal comprise, notamment car les composants du système climatique (océans, atmosphère, continents, etc.) réagissent différemment aux variations d’insolation. De plus, pour prévoir le climat futur, les variations d’insolation ne suffisent pas ; il faut également tenir compte de l’impact des activités humaines sur l’effet de serre.

Précession des équinoxes

Outre l’allongement de la durée du jour terrestre et l’éloignement de la Lune, l’effet de marée conjugué de la Lune et du Soleil a une autre conséquence: la Terre effectue un mouvement de toupie. Son axe décrit un cône dans l’espace sur une période d’environ 26 000 ans. Il ne pointe donc que momentanément vers l’étoile polaire et la position des solstices et des équinoxes se décale régulièrement : c’est “la précession des équinoxes”. Autrement dit, vue depuis la Terre, la position du Soleil à l’équinoxe de printemps change par rapport aux étoiles de la sphère céleste. A l’époque de la Mésopotamie, entre 4000 et 2000 av. J.-C., ce point “vernal” était dans la constellation du Taureau, puis il recula progressivement jusqu’à se trouver dans la constellation du Bélier à l’époque de la Grèce antique. A l’heure actuelle il se situe dans la constellation des Poissons. Ainsi, 30 degrés de l’écliptique, – le cercle dessiné sur la sphère céleste par la trajectoire du Soleil vue depuis la Terre -, sont parcourus en approximativement 2 160 années. Ce mouvement rétrograde du point vernal sur l’écliptique se traduit par une avance annuelle de la date de l’équinoxe de printemps.

Un mouvement de toupie
En 6000 ans, déplacement du point vernal de la constellation du Taureau à celle des Poissons (représenté par la lettre grecque gamma)
Le point vernal, intersection de l’écliptique et de l’équateur céleste à l’équinoxe de printemps
Rotation de l’ellipse (très exagérée) que parcourt la Terre autour du Soleil (clic droit pour voir l’animation dans un nouvel onglet)

A cet effet se superpose un autre phénomène, la rotation de l’orbite elliptique terrestre autour du Soleil, donc celle de la ligne des apsides (reliant le périhélie à l’aphélie – cf. animation ci-contre -). Elle se produit dans le même sens que la révolution de la Terre en un cycle d’environ 112 000 ans qui, combiné avec le cycle de précession des équinoxes de 26 000 ans,  donne un cycle effectif de 21 000 ans. Divers effets de couplage donnent en fait plusieurs périodicités autour de 20 à 30 000 ans. – Actuellement, le passage au périhélie a lieu le 4 janvier pendant l’hiver boréal (cf. schéma ci-dessous). Par conséquent, dans l’hémisphère Nord, les hivers sont relativement doux, de même que les étés (durant lesquels la Terre se trouve alors au plus loin du Soleil, à l’aphélie); par contre, les saisons sont plus contrastées dans l’hémisphère Sud. Dans 13 000 ans, l’effet sera contraire. La précession des équinoxes modifie ainsi la répartition de l’insolation sur Terre et influe donc sur le climat.

L’obliquité de l’axe de la Terre et la (relative) stabilité de la direction vers laquelle il est pointé engendrent le phénomène des saisons.

Excentricité

Excentricités avec le Soleil à un des foyers de l’ellipse : cercle (e=0), ellipse (0<e<1), parabole (e=1), hyperbole (e>1)

Lorsque deux corps sont en orbite (révolution gravitationnelle) l’un autour de l’autre, l’excentricité des orbites (qui définit leur forme) est théoriquement fixée au départ et ne pourrait changer. En réalité, deux phénomènes principaux peuvent la modifier. D’une part, les deux astres ne sont pas isolés dans l’espace, et l’interaction des autres planètes et corps peuvent modifier l’orbite et par là même l’excentricité. Une autre modification, interne au système considéré, est due à l’effet de marée qui tend à rendre l’orbite circulaire. Dans le système solaire, la planète Mercure a l’orbite la plus elliptique (excentricité 0,2), puis vient Mars en seconde position (0,093), les autres planètes ayant une orbite presque circulaire. Comme l’a montré Kepler en 1609, l’orbite de la Terre est faiblement elliptique, son excentricité est actuellement de 0,017 et le Soleil occupe un des foyers de l’ellipse. Cet écart de distance au Soleil entre l’aphélie et le périhélie suffit pour changer la quantité de chaleur reçue à la surface de la Terre. En outre, cette orbite elliptique influe sur la durée des saisons, puisque la Terre accélère en s’approchant du Soleil et décélère en s’en éloignant. L’excentricité de l’orbite terrestre est variable sur de très longues périodes (en dizaines de milliers d’années).

Obliquité

L’obliquité de l’axe terrestre varie.

Si l’axe de rotation de la Terre était perpendiculaire au plan de son orbite autour du Soleil, il n’y aurait pas de saisons à la surface de la Terre. Elles sont dues à l’inclinaison de cet axe, appelée obliquité, et à l’orientation de celui-ci dans une direction relativement stable sur une longue période de l’ordre du millénaire (actuellement l’étoile polaire). À cause des perturbations planétaires, l’inclinaison du plan orbital de la Terre évolue et oscille. Combiné avec le phénomène de la précession des équinoxes, ces deux effets engendrent, au premier ordre, une oscillation de l’obliquité terrestre qui reste actuellement très limitée, environ 1,3° autour d’une valeur moyenne proche de 23,5°. La période principale de ces oscillations est d’environ 41.000 ans. Au 1er janvier 2019, cet angle était de 23° 26′ 12″ : à l’intérieur des cercles polaires, les jours et les nuits peuvent durer plusieurs mois. Ainsi, à l’inverse des régions équatoriales, le climat des hautes latitudes est très sensible aux variations d’obliquité. En effet, lorsque l’obliquité décroît, les saisons sont moins marquées dans les hautes latitudes, les hivers y sont plus doux et les étés plus frais. Cette variation très faible de 1,3° entraîne cependant des variations de près de 20% de l’insolation reçue en été à 65 degrés de latitude Nord, la quantité de chaleur supplémentaire reçue pendant l’été faisant fondre les glaces accumulées pendant l’hiver et empêchant l’extension des calottes polaires.

Soleil de minuit au-delà du cercle arctique

Et si la Lune n’avait pas été là

Chaque point de ces figures correspond à une simulation du mouvement de la Terre sur 18 millions d’années, avec la Lune (a-b) et sans Lune (c-d), les bandes oranges montrant les zones chaotiques.

Selon l’astronome Jacques Laskar, directeur de recherche au CNRS et membre de l’IMCCE, la Lune a empêché le passage par des résonances chaotiques qui auraient certainement rendu les conditions de vie sur Terre profondément différentes. De ce point de vue, la présence de la Lune a probablement eu un effet majeur, peut-être même sur l’apparition de l’homme. Il est donc légitime d’affirmer que la Lune agit comme un régulateur climatique pour la Terre et que c’est elle qui nous assure, à long terme, une relative stabilité climatique.

Uranus (Nasa)

Sans Lune, la vitesse de rotation de la Terre serait aujourd’hui plus élevée, car elle n’aurait pas été ralentie par l’effet de marée dû à la Lune. La vitesse de rotation primordiale de la Terre aurait été de l’ordre de 1,6 fois sa vitesse actuelle, soit une durée du jour de 15 heures. Sans Lune, la Terre aurait oscillé sous l’influence des effets gravitationnels du Soleil et des autres planètes. Ces variations d’obliquité auraient été telles que le climat aurait subi des variations majeures, en comparaison desquelles les glaciations du quaternaire n’apparaîtraient que comme d’infimes détails. Les simulations informatiques indiquent que pour toute période de rotation terrestre allant de 12 à 48 heures, il existerait une très large zone chaotique pour l’obliquité de la Terre, allant de près de zéro degré à environ 85 degrés. Avec une obliquité de 85 degrés, la Terre se retrouverait pratiquement couchée sur son orbite, comme l’est Uranus. La quasi-totalité de la Terre subirait alors, comme c’est le cas actuellement pour les zones polaires, des jours et des nuits de plusieurs mois. Au pôle, le Soleil resterait longtemps très haut dans le ciel, et il est fort probable que de telles conditions d’insolation entraîneraient des modifications importantes de l’atmosphère de la Terre. Ces zones chaotiques affecteraient de même le phénomène de la précession, qui est un facteur important jouant sur l’insolation.

Quand la Lune était plus proche

Photographie composite prise par le télescope spatial Hubble de la comète Shoemaker-Levy 9 (17 mai 1994) et de la planète Jupiter (18 mai 1994).

Remontons une nouvelle fois dans le temps. Lorsque la Terre et la Lune étaient plus proches l’une de l’autre, la traction gravitationnelle totale était plus importante, puisqu’elle varie inversement en fonction du carré de la distance. Par exemple, à mi-parcours de leur distance actuelle, la traction gravitationnelle entre les deux astres était 4 fois plus importante, car F(g) = Gmm’/(d/2)² = x Gmm’/d². Quand la Lune et la Terre étaient au tiers de leur distance présente, la traction gravitationnelle entre elles était 9 fois plus importante (car F(g) = Gmm’/(d/3)² = x Gmm’/d²), et ainsi de suite à rebours.

Saturne et ses anneaux vus depuis la sonde Cassini

L’effet de marée varie de concert avec la traction gravitationnelle totale, mais il dépend en plus de la dimension de l’objet qui est soumis à un champ gravitationnel. Plus considérable est la taille de l’objet, plus grand est l’effet de marée. Cependant, ce qui compte, ce n’est pas seulement la dimension de l’objet mais sa dimension comparée à sa distance totale au centre de la traction gravitationnelle. Actuellement, le diamètre de la Lune, de 3 475 km, mesure environ 0,009 fois la distance entre la Lune et la Terre. Quand la distance entre les deux était moité moindre, le diamètre inchangé de la Lune mesurait 0,018 fois cette dernière distance. En d’autres mots, plus la distance est faible, plus important est l’effet de marée parce que le diamètre de la Lune devient une fraction de plus en plus importante de la distance totale.

En résumé, deux facteurs tendent à augmenter l’effet de marée – l’un variant inversement en fonction du carré de la distance et l’autre, inversement en fonction de la distance. Pour une distance moitié moindre entre la Terre et la Lune, l’effet de marée est plus important de 2² = 2 x 2 fois à cause du premier facteur et de 2 fois à cause du second. L’augmentation totale est de 2 x 2 x 2 = 8 fois, par conséquent l’effet de marée varie inversement en fonction du cube de la distance.

Vingt et un fragments de la comète Shoemaker-Levy désintégrée en entrant dans la limite de Roche de Jupiter (9 au 17 mai 1994)

Formation de la Lune et limite de Roche

La comète Shoemaker-Levy se brise en atteignant la limite de Roche de Jupiter

Ainsi, lorsque le choc entre la Proto-Terre et la petite planète Théia s’est soldé par l’envoi d’un énorme nuage de débris dans le “ciel”, ceux-ci, après s’être ordonnés en anneaux comme autour de Saturne, n’ont pu commencer à s’accréter pour devenir la Lune que nous connaissons qu’au-delà d’une distance appelée limite de Roche. C’est le nom de l’astronome français Édouard Roche qui a le premier émis la théorie selon laquelle un satellite, en deçà de cette limite, se disloque sous l’action des forces de marée causées par le corps céleste autour duquel il orbite, ces forces dépassant la cohésion interne du satellite. Elle correspond à 2,44 fois le rayon de la planète. Le rayon de la Terre à l’équateur est de 6 378,5 km ; la limite de Roche pour la Terre est à environ 15 500 km du centre, soit 1/25 de la distance actuelle de la Lune. En supposant qu’elle se soit assemblée pile à cette distance, l’effet de marée entre la Terre et la Lune devait être monstrueux sur chacun des deux astres. Par rapport à la situation actuelle, la traction gravitationnelle devait être proche de F(g) = Gmm’/(d/25)² = 25² x Gmm’/d², soit 625 fois plus importante et l’effet de marée était de le cube de 25, soit 15 625 fois plus important ! – En gardant en mémoire que, quelle que soit la distance, l’effet de marée de la Terre sur la Lune demeure 70 fois celui de la Lune sur la Terre (en raison des différences de masse et de diamètre). –

Komatiites de la région de Kostomuksha en Russie: excès d’un isotope de tungstène, 182W, qui peut provenir de la désintégration radioactive du hafnium 182.

Selon une récente étude, lorsque la Lune nouvellement formée se trouvait à une distance de trois rayons terrestres (donc 20 fois plus proche qu’aujourd’hui), la durée du jour terrestre ne devait pas excéder 4 heures ! Le chercheur a considéré que l’impact géant de Théia a dû transformer la jeune croûte terrestre en un océan de magma dont le refroidissement a induit une séparation nette entre le métal et les silicates ainsi que, corrélativement, la désintégration de l’isotope hafnium-182 en l’isotope tungstène-182 avec une demi-vie de 8,5 millions d’années. Le Hafnium est un élément lithophile (il se concentre dans les silicates), tandis que le tungstène est un élément sidérophile (il s’associe au fer). La séparation silicates-métal, et donc la formation du noyau terrestre a dû s’effectuer en 30 millions d’années. Ainsi, la quantité de ces deux isotopes présents dans le manteau indiquerait la date de l’impact qui remonterait à 62 millions d’années après la formation du système solaire, il y a 4,5 milliards d’années.

Deuxième partie: L’influence climatique de la Lune par le biais des marées océaniques

Un phénomène ancien, puissant et complexe

Apparition des océans

Métaconglomérat de galets de quartz (Jack Hills Quartzite) qui contient des cristaux de zirconium.

Trois scénarios tentent de reconstituer l’apparition de l’atmosphère et des océans sur Terre.

Dans le premier scénario, les molécules d’eau auraient été abritées des rayonnements solaires à l’intérieur des “poussières” du nuage originel, lors de la formation du Système solaire. Lorsque les poussières se sont accrétées pour former des planétoïdes, ces derniers, en grossissant, se sont contractés, éjectant la vapeur d’eau, du dioxyde de carbone et d’autre gaz qui constituèrent une atmosphère. Sur Terre, les conditions de température et de pression ont fait passer l’eau sous forme liquide, les pluies diluviennes engendrant des océans. Protégée des radiations par l’atmosphère, l’eau a pu se maintenir jusqu’à aujourd’hui.

L’astéroïde Ceres émet parfois de la vapeur d’eau (vue d’artiste et graphe du 11 octobre 2012, ESA)

L’autre scénario met en jeu les astéroïdes et les comètes : formés plus loin du Soleil, ils ont pu conserver beaucoup d’eau. Or au début de l’histoire du Système solaire, les impacts étaient très nombreux car un grand nombre de corps continuait à virevolter au sein du disque protoplanétaire : ils ont pu procurer à la Terre une quantité non négligeable d’eau en provenance des confins du Système solaire. Aujourd’hui, les observations tendent à indiquer que ces deux scénarios ont joué chacun un rôle pour expliquer la quantité actuelle d’eau liquide sur Terre.

Depuis quelques années, un troisième scénario paraît envisageable sur le mode de rapprochement de ces réserves d’eau vers l’étoile dans certains systèmes planétaires. En effet, la recherche d’exoplanètes a d’abord amené à détecter un grand nombre de géantes gazeuses situées très près de leur étoile, dans la zone réservée dans notre Système solaire aux planètes telluriques. L’hypothèse a été émise d’une migration de planètes au début de l’histoire de ces systèmes planétaires : les géantes gazeuses se seraient formées loin de leur étoile, comme dans le Système solaire, mais auraient ensuite migré vers le centre du fait des interactions avec le disque de poussières résiduel. Le modèle de Nice montre ainsi que, après que les révolutions de Jupiter et Saturne aient atteint la résonance 2:1, les orbites des géantes gazeuses Neptune et Uranus auraient été déstabilisées, ce qui aurait engendré le Grand Bombardement Tardif (de 4,1 à 3,9 milliards d’années).

Modèle de Nice: Simulation : a) configuration initiale, avant que Jupiter et Saturne n’atteignent la résonance 2:1 b) Éparpillement des planétésimaux dans le Système solaire interne après le changement de l’orbite de Neptune (bleu foncé) et d’Uranus (bleu clair). c) éjection de planétésimaux par les planètes

Mais la découverte de cristaux de zirconium dans les Jack Hills d’Australie occidentale révèle que l’eau liquide est apparue bien plus tôt sur Terre, il y a 4,4 milliards d’années. Ainsi, même si les océans étaient sans doute plus acides (à cause du gaz carbonique dissous) et plus chauds, il est probable que la combinaison de marées terrestres et océaniques existe presque depuis l’origine du Système solaire.

Les marées: une origine cosmique, une manifestation locale

Chauliodus sloani
La grande amplitude de marée de la baie du Mont Saint-Michel

Rachel Carson, dans son livre “La mer autour de nous“, emploie toute sa verve pour décrire l’ampleur du phénomène des marées actuelles. “La marée agit sur l’océan tout entier. Les vagues engendrées par le vent n’agissent pas à plus de 200 mètres de profondeur. Les courants planétaires dépassent rarement quelques centaines de brasses de profondeur. Par contre les marées apportent deux fois par jour 2 milliards de tonnes d’eau dans la baie de Passamaquoddy (N-E Amérique du N) et 100 milliards de tonnes d’eau dans la baie de Fundy. Dans le détroit de Messine (entre l’Italie et la Sicile), la rencontre de deux courants contraires crée des tourbillons (Charybde) si profondément que des poissons abyssaux (reconnaissables à leurs yeux atrophiés ou anormalement grands, ou leurs organes phosphorescents sur le corps) sont régulièrement rejetés sur le rivage près du phare.” (Ex. Chauliodus sloani, poisson des abysses observable en surface au détroit de Messine)

Bathymétrie des fonds marins au détroit de Messine, avec des profondeurs supérieures à 1000 m au sud.

“Le phénomène des marées est très complexe. Les influences lunaire et solaire changent continuellement, selon les phases de la Lune, la distance des deux astres à la Terre et la position de chacun soit au nord, soit au sud de l’équateur. En outre, chaque corps, masse ou quantité d’eau, naturel ou artificiel, a sa période propre d’oscillation.

Une onde est une perturbation qui se propage.

Qu’on agite cette eau, et elle bougera en un mouvement de balancement plus prononcé aux extrémités du contenant, plus réduit au centre. Les spécialistes des marées estiment actuellement que l’océan contient plusieurs “bassins”, chacun ayant sa période propre d’oscillation, déterminée par sa longueur et sa profondeur. L’agitation qui met l’eau en mouvement est formée par l’attraction de la Lune et du Soleil. Mais le genre du mouvement, c’est-à-dire la période d’oscillation de l’eau, dépend des dimensions physiques du bassin. Ainsi, les marées présentent un paradoxe frappant, dont l’essence est que la force qui les anime est cosmique, absolument extérieure à la Terre, tandis que la nature de la marée en un lieu quelconque est une affaire locale, qui peut comporter des différences étonnantes pour des endroits géographiquement très proches. La vérité derrière ce paradoxe est que la topographie joue un rôle primordial dans la détermination des circonstances qui, dans notre esprit, constituent la marée. Les forces d’attraction de la Lune et du Soleil mettent l’eau en mouvement ; mais le mode, la distance et la force de son déplacement dépendent de facteurs tels que la pente du fond, la profondeur du détroit, la largeur d’une entrée de baie.”

Ondes de marée (Ifremer) (Pour voir l’animation, clic droit, ouverture dans un nouvel onglet)

Le thermostat de la Terre

Une des nombreuses dépressions passant communément par la région entre l’Islande et le Groenland
La mer “fume” (Anglet, 27 janvier 2007)

“L’océan est une caisse d’épargne d’énergie solaire, explique Rachel Carson, il reçoit des versements dans les saisons d’insolation excessive et les rembourse en saisons d’insolation insuffisante. L’eau a des qualités remarquables: elle absorbe et irradie parfaitement la chaleur. La répartition de la chaleur de l’équateur vers les pôles est effectuée de manière à peu près égale par les courants océaniques et par les vents. Sur les trois quarts du globe, des interactions continuelles se produisent entre l’océan d’eau et l’océan d’air. Il faut 3000 fois plus de chaleur pour échauffer de 1 degré un volume d’eau que pour échauffer pareillement un volume d’air égal. La chaleur perdue par un mètre cube d’eau qui refroidit de 1°Celsius élèverait pareillement la température de 3000 mètres cube d’air. Une couche d’eau épaisse de un mètre, en se réchauffant de 1°C, échaufferait de 10°C une couche d’air épaisse de 33 mètres. Quand l’air est froid, la pression tend à monter ; quand l’air est chaud, la pression tend à baisser. L’échange de chaleur entre l’océan et l’air modifie donc les zones de haute et de basse pression, ce qui affecte profondément la direction et la force des vents et détermine la direction des tempêtes.”

La mer, plus chaude que l’air, s’évapore et adoucit l’air sur les côtes du golfe de Gascogne durant les froidures hivernales. (Anglet, 27 janvier 2007)

Il existe sur les océans six centres de haute pression (trois dans chaque hémisphère). Ce sont les berceaux des vents dominants. Les alizés naissent dans les zones de haute pression des hémisphères boréal et austral. Ils sont réguliers sur les océans et ne se modifient qu’au-dessus des continents. Des ceintures de basse pression se développent, surtout en hiver, au-dessus d’eaux alors plus chaudes que les terres environnantes. Ces zones attirent les dépressions barométriques ou les cyclones qui rapidement les traversent ou les contournent. Les tempêtes d’hiver passent par la basse pression d’Islande, sur les îles Shetland et Orkneys, la mer du Nord et la mer de Norvège. C’est la basse pression située au-dessus des eaux chaudes du sud de l’Islande qui détermine le climat européen hivernal. D’autres tempêtes sont dirigées par d’autres basses pressions sur le Skager-Rak, la Baltique et l’intérieur de l’Europe.

L’influence bénéfique du Gulf Stream se fait sentir jusqu’au fond du golfe de Gascogne. (Anglet, 27 janvier 2007)

Marée interne, hareng et climat

Des “ondes lunaires”

Otto Pettersson
Carte schématique des courants chauds (rouge) et froids (bleu), à 50-300 m de profondeur, dans l’Atlantique et la mer du Nord, avec des isobathes en mètres et isothermes en °C. – Reproduction de Ekman et al. (1907)

Rachel Carson a consacré plusieurs pages à Otto Pettersson (1848-1941), chimiste, physicien et premier océanographe suédois. “Né sur les bords de la Baltique, mer d’une hydrographie remarquable et complexe, il construisit un laboratoire au sommet d’une falaise à pic surplombant les eaux profondes du Gullmar fjord où ses appareils enregistraient d’étranges phénomènes. L’eau de l’océan, en se pressant vers l’intérieur, s’enfonce et laisse l’eau douce de surface passer au-dessus d’elle. Au niveau où eau douce et eau salée entrent en contact, il y a une limite distincte, une discontinuité, comme le film qui sépare l’eau et l’air. Or, chaque jour, les appareils de Pettersson révélaient un fort battement, une pulsation de cette couche intermédiaire, une pression de grandes vagues sous-marines, de montagnes d’eau mouvantes. Le battement s’accentuait toutes les douze heures et diminuait pendant les intervalles. Pettersson ne tarda pas à établir un lien entre ces ondes sous-marines et les marées journalières. Il les appela “ondes lunaires” ; il mesura leur hauteur et leur rythme pendant des années ; leur rapport avec les cycles toujours changeants des marées devint alors tout-à-fait clair. Certaines des vagues profondes du Gullmar fjord étaient des géantes, hautes de près de 30 mètres. Pettersson pensa qu’elles étaient formées par le choc de la vague de marée océanique sur les crêtes sous-marines de l’Atlantique Nord, comme si les eaux, obéissant à l’attraction solaire et lunaire dans les couches inférieures de la mer, se brisaient et se répandaient en masses d’eau très saline pour pénétrer dans les fjords et les détroits de la côte.”

Gullmar fjord – Bathymétrie de la mer du Nord
Le mystère des “eaux mortes”
Fram, la dérive sur la banquise en Arctique
Fram, une expédition scientifique à la découverte de l’Arctique

L’existence d’ondes sous-marines invisibles depuis la surface fut mentionnée pour la première fois par Benjamin Franklin qui décrivit en 1762 l’expérience de la “lampe italienne”. Par ailleurs, les navigateurs norvégiens appelaient “Dödvand”, une “eau morte”, un curieux phénomène auquel ils étaient confrontés dans les fjords scandinaves, mais également en pleine mer. Voici l’événement qui suscita le souhait d’en donner une explication scientifique. Le 29 août 1893, l’expédition scientifique du Fram, ayant quitté depuis deux mois la Norvège, était en route vers le Pôle nord. Alors qu’il naviguait au nord de la presqu’île de Taïmyr en Sibérie, en eau libre, par temps calme, machine à pleine pression, le navire freina brusquement. La vitesse passa de 5 nœuds à 1 nœud et resta stable. La progression était si lente que le professeur Fridtjof Nansen, chef de l’expédition, écrivit dans son journal: “Je pense que j’aurais pu partir devant à la rame et chasser le phoque“. Le 30 août, la progression était encore plus lente. Nansen écrivit : “Nous ne pouvons absolument pas prendre de vitesse dans cette eau morte, nous entraînons toute la mer avec nous [… ]. Nous faisons de grands ronds, tournons sur place, essayons toutes sortes de choses pour nous en sortir, mais en vain. Quand les machines s’arrêtent, le navire semble aspiré par l’arrière.

Eaux mortes

En novembre 1898, deux ans après la fin de son expédition, Nansen envoya une lettre au professeur Wilhelm Friman Koren Bjerknes (1862-1951), un ancien camarade de classe, lui demandant son avis sur la cause du phénomène. Celui-ci formula les bonnes hypothèses : lorsqu’une couche d’eau douce surmonte l’eau salée de la mer, un navire en mouvement génère non seulement des ondes visibles à la limite entre l’eau et l’air, mais aussi des ondes invisibles, dans la mer, le long de la limite entre la couche d’eau douce et la couche d’eau salée.  Pour qu’un navire soit pris dans une eau morte, il faut, d’une part, que son tirant d’eau corresponde à peu près à l’épaisseur de la couche d’eau douce en surface (due en l’occurrence à une rapide fonte des glaces) et, d’autre part, qu’il navigue à une vitesse inférieure à la vitesse de propagation de l’onde interne créée. La résistance à l’avancement du navire atteint son maximum quand la vitesse du navire est proche de celle de l’onde interne. Si le navire a assez de puissance pour aller plus vite que l’onde interne (généralement une vitesse de 5 nœuds est suffisante), il peut se sortir des eaux mortes.

Des marées internes géantes
Ondes internes du détroit de Luçon décelables grâce aux courants de surface qu’elles induisent (photo depuis un satellite de la Nasa)
Ondes internes générées par le relief sous-marin

A partir du milieu du XXe siècle, avec le développement de la navigation, y compris sous-marine, ainsi que l’avènement des activités pétrolières (stations offshore et navires de forage), l’intérêt se déplace du phénomène des eaux mortes vers celui de ces ondes invisibles, parfois fortement destructrices. Des plates-formes pétrolières ont été déplacées horizontalement sur des centaines de pieds et verticalement sur des dizaines de pieds. Les navires de forage sont particulièrement sensibles à ces effets. Les ondes internes sont capables de causer la rupture d’éléments verticaux tels que des “risers” (pipeline pour le transport vertical de pétrole, de gaz…) et des “tethers” (attaches, fixations).

Types de stations pétrolières offshore

Considérées jusque là comme du “bruit” venant perturber les mesures océanographiques, elles deviennent l’objet de toutes les attentions. Leur impulsion première peut provenir de divers facteurs. Je me bornerai ici à évoquer celui de la marée. Lorsque de forts courants de marée font osciller de l’eau stratifiée sur le relief du plateau continental ou à travers un détroit, ils génèrent de longues ondes internes de marée. Celles-ci deviennent instables en remontant la pente du plateau continental, exactement comme une vague déferlant sur une plage. Cette cassure de l’onde interne de marée génère des paquets de solitons, avec souvent des hauteurs importantes et des courants intenses. C’est ce qui se passe sur le fond peu profond du détroit de Luçon, situé entre les Philippines et Taïwan. En 2 à 4 jours, elles arrivent dans des zones pétrolières de la mer de Chine situées à 350 milles plus à l’ouest.

La double crête au fond du détroit de Luçon amplifie énormément la taille et l’énergie de la vague interne générée par la marée. La simulation montre l’accélération du flux (en haut) créant une grande vague interne (lignes noires) avec une dissipation de l’énergie sous forme d’une turbulence concentrée (en bas).
Plateforme Coriolis, Grenoble
Une mer de Chine méridionale potentiellement riche en pétrole et en gaz, très convoitée et disputée par les pays riverains

Ces ondes ont voyagé à des vitesses de 4 à 8 nœuds (1 nœud = 1 mille marin par heure = 1,852 km/h) – soit 7 à 14 km/h -, et elles ont été réfractées autour d’une île créant un ensemble d’interférences de fronts d’onde. Elles sont grandes, d’une amplitude de près de 200 mètres et elles peuvent atteindre une hauteur de 20 mètres – à comparer aux hauteurs de 30 mètres mesurées dans le Gullmar fjord par Otto Pattersson -. Les ondes internes océaniques ont souvent une hauteur de 160 pieds (48 mètres), mais certaines atteignent des hauteurs de 600 pieds (182 mètres) ! Les ondes internes les plus importantes tendent à apparaître là où la thermocline (interface entre une couche chaude, légère, et une couche froide, plus dense) est profonde et où les mécanismes de génération sont assez énergétiques (à des endroits comme le détroit de Gibraltar, où la vitesse des courants augmente du fait de l’étroitesse du passage). À l’aide de la plateforme Coriolis de Grenoble, une équipe internationale a montré en 2014 que ces ondes internes sont générées par l’ensemble du système de crêtes sous-marines du détroit de Luçon. Connues des baleines qui viennent s’alimenter dans ces eaux riches en nutriments et des marins qui craignent leur puissance destructrice, les ondes internes du détroit de Luçon peuvent atteindre une vitesse de 3 mètres par seconde et la hauteur phénoménale de 500 mètres !

Première confirmation: Le phénomène d’eaux mortes surplombant des ondes internes de grande amplitude existe bien.

Vagues sous-marines et tourbillons observés par imagerie acoustique dans le fjord du Saguenay. Les vagues ont ici des hauteurs d’environ 10 à 15 mètres.

Hareng et grandes marées

Portulan sur les côtes de mer du Nord (Norvège et Suède)

Revenons à Otto Pettersson. Des vagues sous-marines, ses préoccupations se tournent logiquement vers un autre problème : la fréquentation de la côte suédoise par les harengs. Son Bohuslän natal avait été au Moyen Age le siège des grandes pêcheries hanséatiques de hareng. Aux XIIIe, XIVe et XVe siècles, cette activité maritime s’était poursuivie dans le Sund et les Belts, ces entrées étroites de la Baltique. Les villes de Skanör et de Falsterbo connaissaient une prospérité inouïe ; il semblait qu’on ne verrait jamais la fin des poissons argentés qui apportaient la richesse. Subitement, ils quittèrent les détroits pour la mer du Nord ; la pêche s’arrêta ; la Suède s’appauvrit, et ce furent les Pays-Bas qui s’enrichirent. Pourquoi les harengs ne venaient-ils donc plus ? Pettersson pensait pouvoir l’expliquer : la cause était intimement liée à celle qui, dans son laboratoire, poussait la plume indiquant sur le tambour des appareils les mouvements des vagues sous-marines dans le Gullmar fjord.

Philippe de Mézières et Richard II

Voici un témoignage remontant au Moyen Age qui illustre cette abondance de poissons et constitue une deuxième confirmation des recherches de Pettersson. “Philippe de Mézières, chevalier et écrivain français, relate sa visite aux pays du Nord en 1382. Comme le hareng n’arrive dans les détroits que pendant les mois de septembre et d’octobre, nous avons la date approximative de son passage par le Sund. Il fut émerveillé de voir la quantité de poisson qui s’y trouvait et le nombre de bateaux, rassemblés dans toute l’Allemagne et la Prusse, qui partaient à la pêche. Il parle de 40 000 barques, de cinq navires plus gros, qui recueillaient et salaient “en quaques” le hareng: le nombre des pêcheurs s’élevait à plus de trois cent mille. Une partie habitait à terre sur les côtes de la Suède dans des huttes qui s’étendaient sur quinze lieues de terrain tout le long du canal. Et en voyant un si grand nombre de chrétiens rassemblés dans un même endroit, avec une si admirable flotte, il pensa aux services que pourrait rendre une telle armée à la cause du Christ et, dans son imagination enthousiaste, il les voyait déjà accourir en Orient et se saisir, non seulement de la Palestine, mais de la Syrie entière.” (Jorga 1896) – Dans “500 ans de pêche…”, par Armin Lindquist –

Pêche au hareng
Hambourg, la Hanse teutonique

Otto Pettersson, rapporte Rachel Carson, avait constaté que ces vagues changeaient de hauteur et de force proportionnellement aux variations de l’influence solaire et lunaire sur les marées. Le calcul astronomique lui apprit que les marées devaient avoir atteint leur pic d’intensité aux derniers siècles du Moyen-Age – quand la pêche au hareng était florissante. Le Soleil, la Lune et la Terre arrivaient alors au solstice d’hiver à des positions telles qu’ils exerçaient sur la mer le maximum d’attraction, circonstance qui ne se rencontre guère que tous les dix-huit siècles environ ; mais, à cette époque, les grandes vagues sous-marines se précipitèrent plus fort que d’ordinaire dans les détroits de la Baltique et, avec ces “montagnes d’eau”, les harengs s’en allèrent. Plus tard, quand les marées furent apaisées, ils restèrent au dehors, en mer du Nord.

Portrait de Chaucer en pèlerin dans le manuscrit Ellesmere.

Troisième confirmation, issue de la littérature anglaise, de la réalité d’une marée exceptionnelle au Moyen Age. Geoffrey Chaucer (1340-1400) est un grand poète anglais, mais il a également des connaissances en astronomie puisqu’il est le rédacteur d’un Traité sur l’astrolabe. Dans l’un de ses Contes de Canterbury qui l’ont rendu célèbre, le Conte de Franklin, il décrit une conjonction astronomique exceptionnelle survenue au XIVe siècle (donc contemporaine). La description qu’il fait du travail du clerc utilise des termes techniques précis, qui font de ce passage un des morceaux de bravoure de la littérature anglaise. “Aurelius prie Apollon, le dieu Soleil, de s’allier avec la Lune “qui de la mer est la déesse et la reine”, pour qu’à la prochaine opposition de Séléné, les deux astres unis apportent une si grande marée qu’elle recouvre les plus hauts des rochers. Mais la marée du siècle ne vient pas et, sans naufrage, Arveragus rentre de la guerre. Deux ans durant, Aurelius est patient, puis s’adresse à un clerc d’Orléans, clerc ès sciences et magie, lesquelles, au Moyen Age, faisaient dans les esprits bon ménage. Contre bon argent, le mage accepte d’accompagner l’écuyer en Bretagne, ses tables astronomiques fourbit et le miracle se produit…”

Eclipse de Soleil (21 août 2017, Wilson, Wyoming, USA, photo Jean-Bertrand Ibar, Astronomie Côte Basque)
Quelles conditions pour des marées exceptionnelles ?
Illustration de la périodicité millénaire de l’augmentation des forces de marée depuis 500 avt J.-C. La vitesse angulaire, γ, est en ordonnée. Les événements sur un cycle de 180 ans, tous à la Pleine Lune, sont signalés par l’année.

Lamb, dans son livre Climate: Present, Past and Future (Methuen, Londres) publié en 1972, rappelle la proposition faite par Otto Pettersson en 1914 et 1930 de l’existence d’un forçage exceptionnel de marée qui se reproduit selon un cycle de 1800 ans. Quelles sont les conditions qui favorisent un fort effet de marée ?

Les éclipses
Éclipses de Lune ou de Soleil

Tout d’abord, les éclipses (en lien, le catalogue établi par la Nasa des éclipses lunaires entre 1999 avant J.-C. et 3000 après J.-C.) sont toujours accompagnées de fortes marées, puisqu’elles se produisent lorsque la Lune et le Soleil sont alignés avec la Terre (syzygie) et combinent leur attraction. A chaque lunaison, il n’y a pas systématiquement éclipse à cause de l’inclinaison du plan de l’orbite de la Lune (angle en moyenne de 5,09 ̊ par rapport à l’écliptique).

  1. Il n’y a éclipse que si, à la pleine Lune ou à la nouvelle Lune, la ligne d’intersection du plan de l’orbite lunaire et de l’écliptique passe par les trois astres, la Pleine Lune – ou la Nouvelle Lune – passant par le nœud ascendant ou le nœud descendant.
  2. Si, un jour donné, il y a une éclipse de Lune ou de Soleil, quinze jours avant ou après, la Lune est encore proche du plan de l’écliptique et il y a toujours une autre éclipse, mais de l’autre type (de Soleil ou de Lune). Entre Terre et Soleil, elle occulte le Soleil; à l’opposé, elle entre dans l’ombre de la Terre qui l’éclipse à son tour.
  3. Il se produit entre quatre et sept éclipses par an. On compte en moyenne autant d’éclipses de Soleil que d’éclipses de Lune. Les éclipses de Lune semblent plus courantes car lorsqu’elles se produisent elles sont observables par la moitié des habitants de la Terre, alors que les éclipses de Soleil ne peuvent être observées qu’en étant sur la bande très étroite de l’ombre de la Lune sur la surface terrestre. Ainsi, les habitants d’une région donnée du globe observeront beaucoup moins d’éclipses de Soleil que d’éclipses de Lune sur une période donnée.

Le 26 juin 2029, il se produira une éclipse de Lune totale centrale, c’est-à-dire que le Soleil, la Terre et la Lune seront parfaitement alignés. Ce phénomène n’arrive qu’une fois par siècle en moyenne. La Lune prendra alors des teintes cuivrées, plus ou moins sombres.

Éclipses possibles lorsque Terre, Lune et Soleil sont alignés : la ligne des nœuds de l’orbite lunaire (intersection des deux plans) passe par les 3 centres  (Lune,  Terre et Soleil)
Le Saros

Le plan de l’orbite de la Lune (donc la ligne des nœuds) est animé d’un mouvement de rétrogradation sur l’écliptique, effectuant un tour complet en 18,61 ans (18 ans 7 mois). L’intervalle de temps moyen séparant deux passages consécutifs de la Lune au nœud ascendant porte le nom de période draconitique et il s’élève à 27 j 5 h 5 min 36 s. Le nom donné à cette période fait référence à un dragon mythique supposé vivre dans les nœuds et dévorer le Soleil ou la Lune pendant une éclipse… Durant ce cycle, la Lune passe 242 fois au nœud ascendant: il s’écoule 242 périodes draconitiques. Les positions des nœuds se déplaçant régulièrement, les dates d’éclipse se décalent d’une année sur l’autre. La répétition des éclipses est donc conditionnée par deux périodes principales, la période synodique ou lunaison (pleine Lune, nouvelle Lune) et la période draconitique. La recherche d’un nombre proche d’un multiple de ces périodes permet de retrouver la période dite du Saros de reproduction presque à l’identique des éclipses. En effet :

  • 223 mois synodiques de 29,5305882 jours = 6585,321 jours
  • 242 mois draconitiques de 27,2122208 jours = 6585,304 jours

Cette période de 6585,3 jours est de 18 ans, 11 jours et 7 heures. Elle permet de calculer les dates par exemple où l’éclipse de Lune est centrale, une situation qui entraîne un plus grand effet de marée que dans les autres configurations.

Eclipse de Soleil (21 août 2017, Wilson, Wyoming, USA, photo Cathy C-E, Astronomie Côte Basque) : Récit
D’autres paramètres
Lune, diamètre apparent selon sa position sur son orbite au périgée ou à l’apogée
Orbite lunaire

Mais d’autres causes peuvent contribuer à accentuer davantage encore l’effet de marée:

  1. la proximité de la Terre et du Soleil : L’orbite de la Terre est elliptique et le passage actuel au périhélie s’effectue entre le 2 et le 5 janvier (5/01/2020), alors qu’en l’an 1250 avant J.-C., c’était au solstice d’hiver. – Le cycle de rotation du périhélie s’étend sur environ 20 000 ans -. Cette disposition intensifie les marées hivernales.
  2. la proximité de la Lune et de la Terre: la Lune a une orbite elliptique d’excentricité 0,055. Cela se traduit par une variation de la distance Terre-Lune au cours du mois lunaire et donc par une variation d’amplitude de la marée d’équilibre de ±15%. Si le passage à son périgée s’effectue à une date proche de celle de l’éclipse (ou identique), l’effet de marée s’en trouvera renforcé. Le périgée est alors proche de la ligne des nœuds (ou correspond à un nœud au moment de l’éclipse). – La ligne des apsides qui relie le périgée à l’apogée décrit un cercle complet en 8 ans et 10 mois, dans le même sens que la Lune tourne autour de la Terre, sa coïncidence avec la ligne des nœuds au moment d’une éclipse n’a donc lieu que tous les 4 ans et 5 mois -.
La déclinaison de la Lune varie en moyenne entre (23°45+5°15) et (23°45-5°15), soit entre 29° et 18°30

Ainsi que le confirme l’étude en lien, lorsque ces conditions sont le mieux remplies, le cycle de 1800 ans apparaît sous la forme d’une lente progression des différences de déclinaison solaires-lunaires qui coïncident avec un affaiblissement progressif puis un renforcement des maxima centenaires successifs du forçage de marée. Le cycle de 1800 ans représente ainsi le temps pour que la récurrence des éclipses périgéennes corresponde étroitement au moment du périhélie. Progressivement, des dates d’ajustement moindre du périgée, des nœuds et du périhélie avec la syzygie se produisent en moyenne à des intervalles de 360, 180, 90, 18, et 9 ans.

Quatrième confirmation: Il existe bien un cycle astronomique de 1800 ans de forçage de marée, ainsi que l’avait calculé Otto Pettersson.

Les chasseurs dans la neige (1565, huile sur bois, Pieter Bruegel)

Début du Petit âge glaciaire

Pettersson discerna un autre fait très significatif : ces siècles de grande marée ont été une période de “circonstances étonnantes et extraordinaires” dans le monde naturel. La glace polaire bloquait alors la plus grande partie de l’Atlantique Nord. Les côtes de la mer du Nord et de la Baltique étaient dévastées par des flots violents que poussaient les tempêtes. Les hivers étaient d’une “rigueur sans précédent” et, conséquence de ces dérèglements climatiques, des catastrophes économiques et politiques sévissaient dans toutes les régions habitées du globe. – Par exemple, la Guerre de Cent Ans opposa de façon sporadique, de 1337 à 1453, la dynastie des Plantagenêt à celle des Valois et, à travers elles, le royaume d’Angleterre au royaume de France -. Pouvait-il donc avoir existé un rapport entre ces événements et les montagnes mouvantes d’eau invisibles ? Et les marées profondes pouvaient-elles affecter la vie des hommes dans la même mesure que la vie des harengs ?

Variation de l’activité solaire sur les derniers 2000 ans

Ce que Pettersson décrit sous la plume de Rachel Carson correspond, me semble-t-il, au début de ce qui a été appelé ultérieurement le Petit Age Glaciaire. Il a duré globalement de 1300 à 1850, bien que les avis divergent sur l’étendue et les causes de ce phénomène, sans doute multiples, comme on peut le voir ci-dessous:

Caldeira du volcan Samalas (Ile de Lombok, Indonésie) dont l’explosion cataclysmique en 1257 aurait contribué à plonger la Terre dans le Petit Age Glaciaire

1- Baisse de la température accompagnée d’un accroissement des précipitations et des tempêtes en raison de divers facteurs:

  • forçage orbital selon les cycles décrits par Milankovitch qui induit depuis 2000 ans une tendance au refroidissement de l’hémisphère Nord (en Arctique, -0,02°C par siècle) et forçage de marée selon les paramètres astronomiques examinés au chapitre précédent ;
  • baisse de l’activité solaire ;
  • augmentation de l’activité volcanique qui a pour effet de réduire l’insolation par la présence de cendres et de dioxyde de soufre dans l’atmosphère terrestre ;

2- Modification des courants océaniques : ralentissement de la circulation thermohaline qui a pu être localement interrompue par un afflux d’eau douce dans l’Atlantique Nord consécutif à l’optimum climatique médiéval – décalage vers le sud du vortex circumpolaire -;

3- Fluctuations de la population humaine dans différentes parties du monde ayant pour conséquence la reforestation (Peste Noire au milieu du XIVe siècle) ou inversement la déforestation ;

4- Et la variabilité inhérente du climat global.

Variation des températures sur les derniers 2000 ans

La circulation thermohaline

L’équilibre thermique de la planète
Circulation thermohaline simplifiée : courants chauds (rouges) et courants froids (bleus)

Parmi ces divers paramètres des facteurs du changement climatique à la fin du Moyen Age, l’un d’eux est proche de l’hypothèse d’Otto Pettersson, bien que les marées ne soient pas mentionnées:

“Modification des courants océaniques : ralentissement de la circulation thermohaline qui a pu être localement interrompue par un afflux d’eau douce dans l’Atlantique Nord consécutif à l’optimum climatique médiéval – décalage vers le sud du vortex circumpolaire -”

C’est en 1751 que l’on trouve la première mention de ce courant océanique mondial. Alors qu’il vogue à la latitude de 25°N dans l’océan atlantique Nord subtropical, Henry Ellis, capitaine anglais d’un navire transportant des esclaves, plonge dans la mer un récipient spécialement conçu et fourni par un ecclésiastique anglais, le Révérend Stephen Hales. Au moyen d’une longue corde et d’un système de valves, il remonte de l’eau prise à diverses profondeurs et en mesure à chaque fois la température. A sa grande surprise, il s’aperçoit que l’eau des profondeurs est glaciale. Les eaux chaudes tropicales et subtropicales demeurent confinées en une fine couche superficielle et ne se diffusent pas vers le fond. Le capitaine met immédiatement à profit sa découverte pour emplir sa baignoire d’eau froide, garder les bouteilles de vin au frais, de même que les réserves d’eau, toutes choses fort agréables par ce climat brûlant. En 1797, Count Rumford émet l’hypothèse que ces eaux froides proviennent des pôles et permettent ainsi de tempérer les chaleurs excessives des zones tropicales. Il suggère que les différences de température et de salinité, ainsi que l’action des vents, mettent en mouvement ces masses d’eau.

Circulation thermohaline (rapport 2001 du GIEC)

Il faudra attendre 1987 pour que le concept d’un “tapis roulant” océanique soit imaginé par Wallace Broecker de l’université de Columbia. Il exprime ainsi l’idée d’une interconnexion mondiale des océans par un système cohérent de circulation transportant l’eau chaude en surface et l’eau froide en profondeur. En réalité, l’Atlantique et le Pacifique ne sont que faiblement connectés, mais ce modèle correspond plus ou moins à la circulation au sein de l’Atlantique. Cette circulation océanique contribue à l’équilibre thermique de la planète en réalisant une partie du transport méridien de chaleur de l’équateur vers les pôles. L’existence des cellules méridiennes de circulation est fondamentalement liée à la présence des continents qui déterminent un réseau de frontières méridiennes dans chacun des grands bassins Atlantique, Pacifique et Indien. Dans l’océan, c’est donc la présence de ces frontières continentales qui rend possible l’existence d’un gradient de pression zonale (Est-Ouest) et donc la formation de courants géostrophiques méridiens.

Températures comparées entre Seattle (Washington, USA) et Vannes (Bretagne), à 47,6 latitude Nord

Ainsi, dans l’océan Atlantique, environ 14 à 17 Sverdrup (1 Sv = 10 millions de mètres cubes par seconde) d’eaux chaudes et légères traversent l’Équateur, empruntent le trajet du Gulf Stream et se transforment en eaux froides et salées en mer de Norvège et du Labrador. La chaleur dégagée vers l’atmosphère au cours de ce refroidissement est partiellement responsable du climat tempéré qui règne en Europe grâce à son exposition aux vents d’ouest. – A titre d’illustration, Bodö, en Norvège, a une température moyenne de -2°C en janvier et 14°C en juillet, alors que Nome, sur la côte Pacifique de l’Alaska et à la même latitude, a des moyennes bien plus froides, -15°C en janvier et seulement 10°C en juillet -. C’est aussi cet apport d’eau chaude qui entretient dans l’Atlantique Nord des températures de surface de l’océan supérieures de 4°C à celles que l’on trouve dans l’océan Pacifique à la même latitude, laissant ainsi la mer au large du Groenland et de la Norvège quasiment libre de glace, alors qu’ailleurs l’océan Arctique gèle même jusqu’à des latitudes plus méridionales. La dynamique de l’océan s’ajuste donc pour que la chaleur ne s’accumule pas sous les Tropiques et qu’elle arrive aux hautes latitudes. Les flux de chaleur échangés entre les composantes océanique et atmosphérique du climat sont pour l’essentiel équilibrés sur l’échelle d’une année. Ce quasi-équilibre thermique témoigne d’une régulation entre les deux composantes.

Péninsule de Notsuke en hiver, à 43,3° latitude Nord (Hokkaido, Japon) – Biarritz est à 43,4° latitude Nord

La formation d’eaux profondes ne se réalise que dans des régions très localisées (mers du Labrador, de Norvège, de Weddell, de Ross, Méditerranée, dans l’hémisphère nord, et seulement près du continent Antarctique dans l’hémisphère sud). C’est là où un refroidissement atmosphérique (et donc des eaux de surface) intense peut avoir lieu, et où les eaux de subsurface sont déjà suffisamment denses (c’est-à-dire là où la colonne d’eau est faiblement stratifiée). Les eaux profondes nouvellement formées sont exportées par les courants intenses des bords océaniques Ouest. Il s’agit d’une circulation à l’échelle planétaire dont les temps caractéristiques de ventilation sont de l’ordre du millier d’années, soit une vitesse moyenne de l’ordre de 1 mm/s. Bien que très lente, cette circulation n’en est pas moins fondamentale dans la régulation du climat.

Le vent et la marée, moteurs de la circulation thermohaline
Corail blanchi par des eaux trop chaudes (atoll Dongsha, îles Pratas, mer de Chine méridionale)

L’idée que, outre le vent qui agit en surface, l’énergie dissipée par les marées puisse jouer un rôle fondamental dans la circulation générale océanique s’impose peu à peu: ces deux facteurs entretiennent un mélange vertical indispensable. En effet, en l’absence de forces mécaniques extérieures, il ne saurait y avoir de circulation méridienne abyssale dans l’océan si la source chaude (les tropiques) est au même niveau (la surface de la mer) ou plus haut que la source froide (les pôles). L’existence d’un fort gradient de densité méridien entre les hautes et les basses latitudes (correspondant aux différences de salinité et de température) est une condition nécessaire mais pas suffisante pour actionner la circulation thermohaline; seul le mélange vertical est capable d’équilibrer la remontée des eaux denses.

Atoll Dongsha (îles Pratas, Taïwan)

C’est ce qui se passe par exemple au détroit de Luçon: les ondes internes générées par la marée peuvent mélanger les eaux plus chaudes de surface aux eaux plus denses et froides, faisant plonger les premières vers les profondeurs. Inversement, les secondes remontent, entraînant les nutriments vers la surface ; la croissance du phytoplancton s’en trouve stimulée, de même que celle des coraux. C’est ce qui a été constaté à l’atoll Dongsha situé en mer de Chine méridionale, à l’ouest du détroit de Luçon. En effet, suite à un pic de température en 1998, presque tous les coraux du lagon Dongsha (“Sable de l’Est”, îles Pratas) sont morts, alors que ceux qui croissaient à l’extérieur, à une profondeur similaire de 5 à 7 mètres, n’ont pas blanchi et ont survécu car ils étaient baignés par une eau plus fraîche de 6°C grâce au brassage effectué par les ondes internes de la marée.

Les vents et les ondes internes de marée actionnent la circulation thermohaline
Topex-Poséidon
Ondes internes en mer de Chine méridionale décelées par l’écoulement de l’eau de surface

Les modèles de marée et l’altimétrie satellite suggèrent que sur les 3,5 TW (Téra Watt) d’énergie apportés par le potentiel astronomique et dissipés par la marée dans l’océan, approximativement 2,5 TW sont dissipés par le frottement qui a principalement lieu sur les marges continentales peu profondes. Le 1 TW restant est converti en marées internes par interactions de la marée avec les obstacles naturels (dorsales, monts sous-marins, archipels, talus continentaux, etc.). Elles peuvent se propager dans un milieu stratifié loin des sites de génération (jusqu’à 1000 km). Les calculs de dissipation à partir des données Topex-Poséidon (remplacés ensuite par les satellites franco-américains Jason) ont montré qu’environ 35 % de l’énergie attribuée à l’onde lunaire semi-diurne et 15 % de celle attribuée à l’onde solaire diurne sont dissipés en plein océan et donc disponibles pour le mélange des masses d’eau. Ces résultats illustrent le lien étroit qui unit les marées océaniques, la circulation abyssale et le climat.

Ralentissement de la circulation thermohaline et refroidissement climatique
Schéma de l’AMOC: eau chaude (en rouge) – eau froide (en bleu)

Mais cette circulation thermohaline planétaire (ou circulation méridienne de retournement) peut avoir des “ratés”, ralentir ou même s’arrêter. Pour l’Europe, c’est la variabilité de l’AMOC (circulation méridienne de retournement atlantique) et notamment celle de sa ramification peu profonde en direction du Nord qui peut influer sur son climat. Son essoufflement peut même engendrer un climat glacial. C’est déjà arrivé au Dryas récent, il y a 12 800 ans: en quelques décennies, la température a baissé de 2 à 5°C par rapport au Alleröd, la précédente période chaude, et cette température s’est maintenue pendant 1000 ans pour remonter tout aussi brusquement. Il y a 8200 ans, ce phénomène s’est renouvelé avec une chute moindre de température. Dans ce dernier cas, le ralentissement de l’AMOC a été précédé par l’écoulement dans l’Atlantique nord de l’eau douce des lacs Agassiz et Ojibway (Amérique du Nord). Ces deux événements sont-ils liés ?

La dryade à huit pétales recolonisait les éboulis et substrats libérés par les glaciers après la dernière glaciation.

Les conditions océaniques et météorologiques particulières qui règnent dans certaines mers du globe (évaporation et/ou refroidissement intenses comme la formation de glace de mer) sont responsables de la formation en surface d’eau nettement plus dense que l’eau avoisinante. La présence de cette eau de densité très élevée au-dessus d’eau plus légère provoque le mélange vertical de la colonne d’eau : c’est le processus de convection océanique profonde. Les eaux denses formées lors de la convection s’écoulent ensuite au fond des océans et forment les masses d’eau profondes de la circulation océanique globale. Les premières modélisations – dans lesquelles seules intervenaient les différences de température et de salinité – montraient qu’un afflux d’eau douce induiraient un ralentissement progressif de l’AMOC sur quelques centaines d’années. Comment ? Cette eau douce issue de la fonte de la glace de mer et des glaciers flotte en surface et empêche les eaux de devenir suffisamment denses pour pouvoir s’enfoncer dans les profondeurs océaniques. Au cours des 150 dernières années, des études montrent que l’AMOC s’est affaiblie de 15 à 20%.

Convection en mer du Labrador
Circulation thermohaline: l’originalité de l’AMOC tient à sa ramification qui se perd dans l’océan arctique et le réchauffe.
Pour effectuer la simulation du climat, l’océan et l’atmosphère sont découpés en mailles élémentaires.

En introduisant comme nouveau paramètre la perturbation du mélange vertical des eaux stratifiées, une nouvelle conséquence apparaît. L’interruption (sur les simulations informatiques) de ce mélange vertical au niveau des lieux de formation d’eau profonde nord-atlantique entraînerait l’arrêt de la circulation thermohaline en l’espace de quelques années ou, plus dramatique encore, induirait le déplacement des sites de convection, ce qui serait un facteur de mutation régionale radicale du climat en moins d’une décennie. Cette éventualité n’avait jamais été envisagée avant 1994 et elle toucha la corde sensible des paléo-climatologues qui ne trouvaient pas d’explication à la rapidité des changements climatiques intervenus au Dryas récent et il y a 8200 ans. Ces derniers étudient les glaces du Groenland, des coraux, des cernes d’arbres, des pollens et des sédiments et reconstituent ainsi de plus en plus précisément les climats du passé.

Aujourd’hui, les études se focalisent sur la mer du Labrador – l’une des rares zones de la planète qui ne se réchauffe pas depuis le début des relevés planétaires de température – et sur la variable clé du déclenchement de la convection hivernale, la stratification océanique. Les brusques fluctuations climatiques du passé n’ont pas pu être provoquées par des variations de l’irradiance solaire sur des échelles de temps aussi courtes que 1000 ans, selon les auteurs d’une étude publiée en 2000. Observées dans la glace et les enregistrements de carottes sédimentaires, ces fluctuations sont plutôt engendrées en partie par des variations bien caractérisées, presque périodiques, sur un cycle d’environ 1800 ans, de l’intensité du forçage de marée. Ainsi, c’est un puissant forçage de marée qui provoque de façon cyclique le refroidissement des eaux de surface marine en augmentant le mélange vertical dans les océans. Ce phénomène est d’autant plus plausible que la contribution de la marée au mélange vertical intervient pour plus de la moitié de la puissance mécanique externe, soit 3,5 terawatts, à comparer avec les 2 terawatts de la friction du vent.

Anomalie de la mer du Labrador, un des rares endroits qui ne se réchauffe pas.

Cinquième confirmation: Ainsi que l’avait écrit Otto Pettersson, la marée influe bien sur le climat par son action mécanique sur la circulation thermohaline, grâce notamment au mélange vertical des couches de densités différentes. Ses fluctuations cycliques ont donc également une incidence sur le climat.

Ondes internes au large de la Basse Californie (Mexique): Ces ondes sont visibles depuis l’espace parce que leurs crêtes sont en intersection avec la surface de l’océan.

Quant aux ondes internes de marée, et tout particulièrement celles avec une période de 12,5 heures proche des observations d’Otto Pettersson, elles commencent à peine à faire l’objet de simulations à l’échelle des différents bassins océaniques. La réduction de la marée à ses manifestations superficielles et côtières, d’une part, et la complexité des interactions à prendre en compte pour modéliser la propagation de ces ondes internes, d’autre part, expliquent le retard dans la prise en compte de ce dernier paramètre, sans parler de la puissance de calcul nécessaire pour représenter un phénomène aussi complexe que le climat.

La station spatiale internationale et la Nasa parviennent parfois à capter certaines vagues internes quand elles ne sont pas trop profondes, comme ici au nord de Trinidad (Cuba)

Il n’est pas anodin de noter que c’est un centre de recherche allemand et un institut norvégien qui s’inquiètent au premier chef de ce puissant phénomène de perturbation de l’AMOC. Les vagues sous-marines possèdent toutes sortes de propriétés fascinantes et encore mal comprises. Par exemple, certaines de ces vagues peuvent se propager non seulement à l’horizontale, comme les vagues de surface, mais aussi sur la verticale. Les vagues sous-marines peuvent aussi déferler, un peu comme le font les vagues sur la plage, et ainsi créer beaucoup de turbulence, de mélange et de remise en suspension de sédiments. Les océanographes ont commencé à s’intéresser aux ondes internes en 1975, lorsque ces dernières ont été photographiées dans la Mer des Andaman par les astronautes de la mission Apollo-Soyuz. Dans l’estuaire du Saint-Laurent (Québec, Canada), de fortes marées sous-marines sont ainsi générées à la tête du chenal Laurentien, au large de Tadoussac, là ou la bathymétrie remonte rapidement. Ce mécanisme physique n’est pas étranger avec la présence de baleines dans cette région. Sans les remontées d’eaux profondes ainsi occasionnées par la génération de marées sous-marines cette région ne serait pas aussi productive et aussi hospitalière pour les mammifères marins. Otto Pettersson était décidément très en avance sur son temps. Il faudra bien un siècle pour réussir à confirmer la véracité de l’ensemble de ses hypothèses.

Modélisation de la marée (amplitudes M2)

Conclusion

Des organismes adaptés au balancement des marées (Esterel, Saint Raphaël)

J’arrive au bout de mon enquête sur les hypothèses d’Otto Pettersson rapportées par Rachel Carson. Avec près d’un siècle d’avance, il avait vu juste: la marée océanique influe bien sur la circulation thermohaline, et par voie de conséquence sur le climat. Elle se diffuse en ondes internes invisibles mais gigantesques, dont l’énorme puissance les rend capables en déferlant de brasser les eaux jusqu’à de grandes profondeurs, mélangeant les eaux denses et froides avec les eaux plus légères et plus chaudes. En effectuant ces recherches, j’ai découvert un monde étrange, une planète “malléable” et “malaxée” par les “forces” de marée qui, chaque jour, la font enfler et désenfler, sous l’effet d’une impulsion cosmique que la vie a su mettre à profit. Une nouvelle fois je m’étonne de cet ajustement astronomique rare et précis. La Terre orbite dans une zone “habitable” du système solaire où l’eau existe sous ses trois états, gazeux, liquide et solide. Elle a un satellite, la Lune, extraordinairement massif, dont la présence stabilise l’axe de rotation terrestre et tempère les excès climatiques. Son influence est évidente, et nous n’avons pas fini de découvrir jusqu’à quel point les phénomènes terrestres ainsi que le monde du vivant en sont devenus intimement dépendants.

Des adaptations particulières pour les algues du bord de mer (Esterel, Saint Raphaël)
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